中烈度區(qū)小箱梁橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

楊慶衛(wèi) （同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

1 引言

我國是一個多地震的國家，抗震設(shè)計是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中必不可少的一環(huán)。簡支變連續(xù)小箱梁橋（以下簡稱小箱梁橋）是常見的一種橋型，其適用性廣泛，可滿足不同墩高、橋?qū)?、跨徑?0～40m）的工程，同時造價相對低廉，施工快速方便，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。

對于小箱梁橋，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計以參考通用圖[1]為主。由于墩高、橋?qū)?、跨徑的差異，不同項目下部結(jié)構(gòu)差異較大。下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是引起橋梁倒塌，并在震后難以修復(fù)使用的主要原因[2]。因此，下部結(jié)構(gòu)設(shè)計是小箱梁橋設(shè)計中的一個重點(diǎn)。此外，根據(jù)多個項目概算成果統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：對于小箱梁橋，下部結(jié)構(gòu)的造價一般占總造價40%以上；在中烈度區(qū)（基本地震動峰值加速度值0.1g～0.15g），造價可占到總造價50%以上。考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，小箱梁橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計是設(shè)計工作的重點(diǎn)，文章對已有項目進(jìn)行歸納總結(jié)，為類似工程提供參考。

2 小箱梁橋下部結(jié)構(gòu)體系

2.1 下部結(jié)構(gòu)體系

工程中常見的小箱梁橋下部結(jié)構(gòu)體系主要有以下四種：

①橫向布置單根立柱，縱向布置多排樁。多用于橋面較窄的匝道橋，定義為體系A(chǔ)。

②橫向布置多根立柱，縱向布置單排樁。多用于橋面較寬，橋墩高度較矮的橋梁，為體系B。

③橫向布置多根立柱，縱向布置多排樁。多用于橋面較寬，橋墩高度較高的橋梁，為體系C。

④墩梁固結(jié)體系。多用于超高墩，應(yīng)用較少。此類橋梁抗震計算應(yīng)進(jìn)行專門研究，不在本文討論范圍內(nèi)。

2.2 小箱梁橋抗震體系

依據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（CJJ 166-2011）[3]和《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02-2013）[4]，在中烈度區(qū)（0.1g～0.15g），除了道路等級很低的小箱梁橋外，均需考慮E2地震作用進(jìn)行抗震計算。

橋梁抗震體系主要有[3]：

①延性抗震體系。橋梁的塑形變形、耗能部位位于橋墩。

②減隔震體系。橋梁的耗能部位位于橋梁上、下部連接構(gòu)件，例如減隔震支座、阻尼器等。

對于小箱梁橋，地震作用引起的水平力可由多個橋墩均攤，同時板式橡膠支座有一定的耗能作用。故減隔震體系在小箱梁橋中應(yīng)用相對偏少，多采用延性抗震體系。采用減隔震體系的橋梁，下部結(jié)構(gòu)在地震作用下均保持彈性，故設(shè)計重點(diǎn)在于減隔震設(shè)備的選擇，不再贅述。

以結(jié)構(gòu)體系A(chǔ)'～C為例，根據(jù)已有工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，闡述中烈度區(qū)蓋梁、立柱、系梁、承臺、樁基的設(shè)計要點(diǎn)。

3 下部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點(diǎn)

3.1 蓋梁

蓋梁為能力保護(hù)構(gòu)件，在E2地震作用下應(yīng)保持彈性。

對于體系A(chǔ)，橫向采用單柱，在縱向、橫向地震作用下，蓋梁受到的彎矩作用值均較小，不控制設(shè)計，按照靜力計算需要設(shè)計蓋梁即可。

對于體系B～C，橫向采用多柱，立柱與蓋梁組成一個超靜定體系。在橫向地震作用下，蓋梁受到較大的彎矩、剪力作用。墩頂為立柱塑性鉸潛在區(qū)域，地震作用下受到彎矩較大。蓋梁需保持彈性，故蓋梁抗彎強(qiáng)度應(yīng)大于立柱超強(qiáng)彎矩。當(dāng)立柱高度較高，尺寸較大時，蓋梁高度Hg受抗震設(shè)計控制，應(yīng)大于立柱的橫向尺寸BL。

3.2 系梁

當(dāng)采用體系B～C，且立柱高度較高時，需設(shè)置系梁以降低立柱彎矩（系梁設(shè)置于樁頂時降低立柱、樁身彎矩）。同時，系梁作為耗能構(gòu)件，有利于提高整個下部結(jié)構(gòu)的抗震性能。系梁的設(shè)計要點(diǎn)：

①系梁高度Hx宜小于立柱橫向尺寸BL；

②系梁側(cè)面的鋼筋宜適當(dāng)加強(qiáng)，保證系梁進(jìn)入塑形后仍能傳遞軸力；

③系梁深入柱身（樁身）的長度要滿足錨固長度，設(shè)計時應(yīng)統(tǒng)籌考慮鋼筋直徑和立柱（樁基）尺寸。

下部結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 立柱

立柱設(shè)計是抗震設(shè)計的重點(diǎn)。立柱的設(shè)計關(guān)系到蓋梁、系梁的配筋和尺寸，還很大程度上影響樁基的布置、長度和配筋。立柱設(shè)計方案的優(yōu)劣對下部結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性影響很大。

立柱的尺寸設(shè)計建議按以下流程進(jìn)行。

①立柱橫向尺寸BL

立柱橫向尺寸BL確定流程

②立柱縱向尺寸HL

立柱縱向尺寸HL確定流程

由上圖可知，立柱縱向尺寸受到“E1保持彈性”、“E2地震滿足需求”、“經(jīng)濟(jì)性”三個條件制約。一般來說，“E1保持彈性”只要達(dá)到目標(biāo)即可，不需富余，以滿足經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過多輪迭代、優(yōu)化后，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、美觀等內(nèi)容比選確定。結(jié)合體系A(chǔ)'～C，闡述立柱設(shè)計要點(diǎn)。

對于體系A(chǔ)：

①由于靜力計算的需要，橫向尺寸BL一般較大，可考慮適當(dāng)放大橫向尺寸，使得E2橫向地震作用下，立柱仍保持彈性。

②當(dāng)立柱高度在10m以上，在縱向地震作用下，可考慮采用延性抗震；否則可以加強(qiáng)配筋、增大截面尺寸，使得E2縱向地震下，立柱保持彈性。

對于體系B：

①由于采用一樁接一柱的形式，樁身受到彎矩較大。樁基為能力保護(hù)構(gòu)件，承載能力必須大于立柱且有一定的富余，故樁身抗彎強(qiáng)度要求較高。樁基推薦采用大直徑樁。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，本體系適用于地質(zhì)條件好，巖層埋深較淺的區(qū)域。

②一般適用于墩高≯10m的橋梁?？筛鶕?jù)選定的樁基直徑，確定立柱直徑。根據(jù)受力形態(tài)，在柱底、柱頂和系梁位置配置較多的受力鋼筋。

4.規(guī)定退押時間，界定退押困難。根據(jù)當(dāng)前科技發(fā)展的程度，銀行轉(zhuǎn)賬可以做到實(shí)時到賬，押金秒退也不應(yīng)有任何問題，但本著對新型經(jīng)濟(jì)包容的態(tài)度，考慮到租賃用戶眾多，個別企業(yè)技術(shù)升級不夠，可適當(dāng)放寬要求，但當(dāng)天到賬絕對能做到的。因此建議監(jiān)管當(dāng)局可規(guī)定企業(yè)原則上秒退，最慢不得超過24小時，24小時押金不到賬，客戶可以投訴。有了對退押時間的規(guī)定，對退押困難的界定，客戶對風(fēng)險就能做出清晰的判斷，監(jiān)管也有了明確的依據(jù)。

對于體系C：體系C適用于各種墩高和寬度的小箱梁橋。此類橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計一般要經(jīng)過多輪比選后確定。結(jié)合工程算例，介紹設(shè)計過程。

某工程采用小箱梁橋，標(biāo)準(zhǔn)跨徑4×35m，橋?qū)?2.6m，墩高約30m，基本地震動峰值加速度值0.15g。下部結(jié)構(gòu)設(shè)計過程如下：

①根據(jù)蓋梁靜力計算并結(jié)合景觀性，橫向采用雙柱；

②在E2橫向地震下試算，確定立柱橫向尺寸和配筋。通過驗(yàn)算確定系梁尺寸和配筋；

③擬定立柱縱向尺寸，在E1地震下進(jìn)行試算。根據(jù)配筋合理性（例如主筋間距10cm配置單層），修正立柱縱向尺寸；

④E2地震作用下，計算出Me＞＞My（屈服彎矩），確定采用延性設(shè)計方案，優(yōu)化構(gòu)造。結(jié)合樁基設(shè)計方案比選確定最終尺寸。其中My的求解一般采用軟件進(jìn)行[5]。

立柱M-Φ曲線

下部結(jié)構(gòu)如下：立柱尺寸2.5（縱橋向）×2.1m（橫橋向）；系梁尺寸2×2m，高度上每隔10m布置一道；蓋梁尺寸2.6×2.6m。見下圖。

總體計算模型 蓋梁柱式墩主要構(gòu)造（單位：cm）

3.4 承臺、樁基

承臺的設(shè)計服從樁基的布置，根據(jù)樁基布置和受力按照規(guī)范[6]確定尺寸和配筋。

由于立柱傳遞的彎矩較大，采用延性抗震的橋梁樁基有以下典型的受力工況：

①單樁受到較大軸壓力、較大彎矩作用；

②單樁受到較小軸壓力、較大彎矩作用，處于大偏心受壓狀態(tài)；

③單樁受到一定拉力、較大彎矩作用，處于以受彎為主的拉彎狀態(tài)。

基于混凝土壓彎、拉彎構(gòu)件的受力特性（受軸壓能力強(qiáng)，抗彎和抗拉能力弱）及上述受力狀態(tài)，樁基的設(shè)計可采用以下原則。

①宜減小樁基數(shù)量，采用大直徑樁，以提高單樁抗彎承載力，增大平均軸力。

②拉大樁基間距，以減小單樁所受拉力；樁基的布置還需滿足構(gòu)造要求，故小直徑樁在抗震設(shè)計中有一定劣勢。

③確定樁基直徑和布置后，根據(jù)E1地震作用確定樁長。（E2地震下，單樁豎向承載力可提高，一般不控制設(shè)計）

樁基造價對總造價影響較大，可對多個樁基布置方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比選后，初步確定方案。

4 結(jié)語

在中烈度區(qū)，小箱梁橋得到了廣泛的應(yīng)用。小箱梁橋的差異主要在于下部結(jié)構(gòu)。統(tǒng)籌考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，在小箱梁橋設(shè)計時應(yīng)對下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化比選，以達(dá)到橋梁安全和經(jīng)濟(jì)原則的統(tǒng)一。

根據(jù)不同墩高、橋?qū)捄涂鐝叫∠淞簶虻脑O(shè)計實(shí)例，總結(jié)了小箱梁橋的常見結(jié)構(gòu)體系，介紹了抗震體系。按照從上到下的順序，介紹了蓋梁、系梁、立柱、承臺和樁基的設(shè)計要點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合一個工程算例，講解了下部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程，為同類型橋梁提供參考。